Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Schutz eines Elektromotors und/oder seiner Ansteuerschaltung vor Überlastung sowie von einer Schaltungsanordnung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Hierzu ist aus der DE-199 44 194 A ein Überlastschutz für einen elektronisch kommutierbaren Motor bekannt, dessen Endstufe über eine elektronische Steuereinheit mittels PWM-Steuersignalen ansteuerbar und von einer Versorgungsspannung speisbar ist. Eine Begrenzung auf eine maximale Belastung mit Überlastungsschutz des Motors wird dabei erreicht, indem in Abhängigkeit von der Größe der Versorgungsspannung und des vorgegebenen Sollwertes für die PWM-Steuersignale zumindest ab der Überschreitung der Nennspannung des Motors die Pulsweite der PWM-Steuersignale für die Endstufe auf Werte reduziert wird, die eine Überlastung des Motors und der elektronischen Bauteile durch Begrenzung der Motorleistung verhindern. Eine derartige Schaltungsanordnung gewährt jedoch nur solange Überlastungsschutz, wie die Ansteuerung der Endstufe durch PWM-Signale selbst keine Störungen aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schutz eines Elektromotors und/oder seiner Ansteuerung vor Überlastung sowie eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens geeignete Schaltungsanordnung anzugeben, mit denen auch bei Störungen in der Ansteuerschaltung selbst ein Schutz des Elekromotors und seiner Leistungsversorgung vor Überlastung gewährleistet ist. Dies wird erreicht durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 8. Hierbei ist insbesondere sichergestellt, dass im sogenannten Notlauffall des Motors, das heißt, wenn seine reguläre Ansteuerschaltung ausgefallen oder außer Betrieb gesetzt worden ist, eine Kompensation einer überhöhten Batteriespannung und einer hierdurch verursachten Überlastung des Antriebs gewährleistet ist.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels zum Schutz eines Gleichstrom- Lüftermotors eines Kraftfahrzeuges mit einer 12 V-Gleichstrom-Bordnetzversorgung. Das Verfahren dient der Sicherstellung des Notlaufbetriebes für einen Elektromotor, welcher bei einem Lüftermotor für Kraftfahrzeuge einerseits gewährleistet sein muss, andererseits jedoch nicht selbst zu Schäden führen darf. Das Augenmerk gilt dabei insbesondere der Unterbrechung der Ansteuerleitung der Kühlerlüfterendstufe, das heißt dem ordnungsgemäßen Empfang der Ansteuersignale der Endstufe, und der Überwachung der geschalteten Versorgungsspannung, im Kraftfahrzeug also der über den Zündstartschalter geführten Batteriespannung.

Ein vorteilhaftes Verfahren ist derart ausgestaltet, dass in der Ansteuerschaltung mindestens eine Überspannungsschwelle definiert ist, deren Erreichung oder Überschreitung zu einer Reduzierung der dem Motor zugeführten Leistung oder zur Abschaltung des Motors führt. Vorzugsweise sind das Verfahren und die Schaltungsanordnung so gestaltet, dass unterhalb einer ersten Überspannungsschwelle eine dem Bereich zwischen 30% und 100% der Batteriespannung entsprechende Leistung dem Motor zugeführt wird. Hierbei kann bis zum Erreichen der ersten Überspannungsschwelle eine der vollen Batteriespannung entsprechende Leistung an den Motor angelegt werden, wahlweise kann jedoch die Leistung auch bereits mit der Aktivierung der Notlaufsteuerung oder mit dem Erreichen der Batterienennspannung bereits zum Beispiel auf den halben Leistungswert reduziert werden. Die volle Batteriespannung entspricht bei der Pulsweitenmodulation einer Ansteuerung mit 100% Tastverhältnis, bei der halben Batteriespannung beträgt das Tastverhältnis 50%. Bevorzugterweise sind jedoch zwei Überspannungsschwellungen vorgegeben, wobei dem Elektromotor unterhalb der ersten Schwelle eine der vollen Batteriespannung entsprechende Leistung zugeführt wird, während im Bereich zwischen der ersten Schwelle und der zweiten Schwelle eine vorzugsweise auf 50% der Batteriespannung reduzierte Leistung in den Motor eingespeist wird. Beim Erreichen der zweiten Überspannungsschwelle erfolgt dann eine Abschaltung des Motors, um eine Überlastung des Motors selbst und/oder seiner Endstufe zu verhindern.

Eine Spannungsüberwachungsschaltung, welche Teil der erfindungsgemäßen Motoransteuerung mit geregeltem Notlaufbetrieb ist, besitzt eine Komparatoranordnung mit einer der Anzahl der Überspannungsschwellen entsprechenden Zahl von Komparatoren, denen einerseits den jeweils definierten Überspannungsschwellen entsprechende Referenzspannungen und als Auslösegröße ein der aktuellen Batteriespannung entsprechender Referenzwert zugeführt werden. Auf diese Art ist in besonders einfacher und sicherer Weise die Verhinderung einer Überlastung des Antriebes gewährleistet, weil der Steuerung die für die Überlastung maßgeblichen Größen selbst zugrunde gelegt sind.

Eine besonders geeignete Schaltungsanordnung zum Schutz eines Elektromotors und/oder seiner Ansteuerung vor Überlastung im Notlaufbetrieb, insbesondere zum Schutz eines Gleichstrom-Lüftermotors eines Kraftfahrzeuges, arbeitet mit einer Motorendstufe mit pulsweitenmodulierter Ansteuerung und zeichnet sich dadurch aus, dass dem Elektromotor zum Schutz gegen Überlastung im Notlaufbetrieb, in dem die zugeführte Leistung nicht mehr durch die um Normalbetrieb wirksame PWM-Ansteuerschaltung gewährleistet werden kann, zusätzlich ein der Motorendstufe vorgeschalteter Microcontroller mit zugeordneter Komparatoranordnung zur Überwachung der Versorgungsspannung vorgesehen ist. Diese Notlaufsteuerung wird insbesondere bei einer Unterbrechung oder fehlerhaften Einspeisung des Sollwertsignals der Pulsweitenmodulation und/oder der geschalteten Versorgungsspannung der Motorendstufe wirksam, indem der Motorendstufe nun eine Steuerspannung zugeführt wird entsprechend einer oder mehrerer Überspannungsschwellen, welche überwacht und dem Microcontroller angezeigt werden.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispieles.

Die Abbildungen zeigen in

• Figur 1 den Verlauf des Tastverhältnisses TV der dem Elektromotor zugeführten Spannung in Abhängigkeit von der veränderlichen Batteriespannung U_bat und
• Figur 2 eine Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen Überlastungsschutzes für den Notlaufbetrieb eines Kühlerlüfters für ein Kraftfahrzeug.

In Figur 1 ist das TastverhältnisTV der gepulsten Versorgungsspannung prozentual über der Batteriespannung U_bat dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind beim Tastverhältnis TV nur die Werte für 50% und 100% gezeichnet. Für die Batteriespannung sind Werte von 13 V bis 16 V markiert. Hierbei entspricht eine Batteriespannung von 13 V der normalen Versorgungsspannung, eine erste Überspannungsschwelle U_s1 ist bei 14 V definiert, eine zweite Überspannungsschwelle U_s2 bei 16 V.

In der Zeichnung gemäß Figur 1 sind verschiedene Verläufe des Tastverhältnisses TV gezeichnet, welches dem Mittelwert der Speisespannung des Antriebes entspricht. Mit einer strichpunktierten Linie ist der übliche Verlauf der Pulsweitenmodulation dargestellt, wobei unterhalb der normalen Batteriespannung von 13 V die volle Spannung entsprechend einem Tastverhältnis von 100% angelegt wird. während über diesem Wert das Tastverhältnis - im gezeichneten Fall linear - reduziert wird und bei einer Batteriespannung von 16 V den Wert Null erreicht. Eine derartige Steuerung der Versorgungsspannung ist in der eingangs genannten DE 199 44 194 A beschrieben.

Im Notlaufbetrieb muss insbesondere der Fall berücksichtigt werden, wo die zuvor geschilderte, in.Figur 1 strichpunktiert dargestellte Regelung der Versorgungsspannung ausfällt. Da der Elektromotor im Normalfall für eine Versorgungsspannung von 13 V ausgelegt ist, würde eine anliegende Versorgungsspannung von 16 V beim Ausfall der Regelung den Motor und seine Endstufe in jedem Fall überlasten, was bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Steuerung verhindert wird.

In Figur 1 ist mit einer durchgezogenen Linie ein Spannungsverlauf gezeichnet, bei dem nach dem Ausfall der PWM-Ansteuerung bis zu einem Wert von 14 V die volle Batteriespannung an den Motor angelegt wird. Diese geringe Überlastung wird im Normallfall beispielsweise von einem Kühlerlüftermotor für Kraftfahrzeuge und von dessen Endstufe noch ohne Schaden vertragen. Nach dem Erreichen der ersten Überspannungsschwelle U_s1 von 14 V wird dann das Tastverhältnis auf 50% zurückgesetzt, sodass am Motor nur noch die halbe Batteriespannung anliegt. Dies ermöglicht noch eine ausreichende Notlaufleistung des Motors. Erst beim Erreichen der zweiten Überspannungsschwelle U_s2 von 16 V wird die Versorgungsspannung dann abgeschaltet.

Eine weitere Alternative ist in Figur 1 mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Diese zeigt die Möglichkeit, die Versorgungsspannung direkt beim Auftreten des Notlauffalles auf die Hälfte zurückzusetzen entsprechend einem Tastverhältnis von 50% und diesen Wert bis zum Abschalten bei der zweiten Überspannunsschwelle U_s2 aufrecht zu erhalten. Die Anordnung weiterer Schwellen ist durchaus möglich. Denkbar wäre es zum Beispiel, eine erste Überspannungsschwelle bereits beim Nennwert der Batteriespannung von 13 V zu definieren und beim Erreichen dieses Wertes die Spannung zu reduzieren. Hierbei wäre es grundsätzlich auch möglich, im Notlaufbetrieb eine geregelte Absenkung des Tastverhältnisses TV vorzunehmen, beispielsweise entsprechend dem strichpunktierten Verlauf im ungestörten Betrieb.

Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Gleichstrom-Lüftermotors eines Kraftfahrzeuges und seiner Ansteuerschaltung 12 vor Überlastung. In der Zeichnung ist ein Elektromotor mit Lüfter dargestellt und mit 10 bezeichnet, welcher von der Ansteuerschaltung 12 mit einer pulsweitenmodulierten Spannung PWM_mot versorgt wird. Die Ansteuerschaltung 12 besteht im wesentlichen aus einer. Komparatoranordnung 12, einem Microcontroller 16 und einer Motorendstufe 22. Die Ansteuerung im Normalbetrieb des Elektromotors 12 erfolgt über ein im Kraftfahrzeug üblicherweise als Motronik bezeichnetes Steuergerät 18, welches den Microcontroller 16 mit dem Sollwert der PWM versorgt. Weiterhin ist der Microcontroller 16 mit dem Ausgang der Komparatoranordnung 14 und mit der geschalteten Batteriespannung U₁₅ hinter dem Zündschalter verbunden. Der Ausgang des Microcontrollers 16 mit dem pulsweitenmodulierten Steuersignal PWM ist an die Motorendstufe 22 angeschlossen, die außerdem mit der nicht dargestellten Fahrzeugbatterie verbunden ist und von dort die Batteriespannung U_bat erhält. Am Ausgang der Motorendstufe 22 ist die pulsweitenmodulierte Versorgungsspannung PWM_mot an den Elekromotor 10 gelegt.

Die Komparatoranordnung 14 besteht im Ausführungsbeispiel aus zwei Komparatoren 24 und 26, an deren nichtinvertierendem Eingang jeweils ein von der aktuellen Batteriespannung abgeleiteter Referenzwert U_ref anliegt. Dieser wird jeweils verglichen mit den anhand der Figur 1 bereits erläuterten Überspannungsschwellen U_s1 beziehungsweise U_s2, welche bei einem 12 V-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges zweckmäßigerweise auf Werte von 14 V für U_s1 und von 16 V für U_s2 festgelegt werden als Grenzwerte für eine normale Batteriespannung von 13 V als Versorgungsspannung des Elektromotors 10.

Als Störfallgröße für den Notlaufbetrieb des Elektromotors 10 wird insbesondere das Ausgangssignal PWM_soll der Motronik 18 überwacht. So könnte bei einer Unterbrechung der Verbindung zwischen der Motronik 18 und dem Microcontroller 16 am Elektromotor 10 oder an der Endstufe 22 eine Überlastung auftreten, wenn gleichzeitig mit einer Störung der Pulsweitenmodulation des Ansteuersignals eine Überhöhung der Batteriespannung U_bat auftritt.

Ein anderer Grund für die Aktivierung der Notlaufsteuerung kann eine Unterbrechung der geschalteten Batteriespannung U₁₅ hinter dem Zündschalter des Kraftfahrzeuges sein, wobei diese Störung gleichzeitig oder getrennt mit einer Störung im Ansteuersignal der Motronik 18 auftreten kann.

Im Störfall liegt in der Komparatoranordnung 14 am invertierenden Eingang des Komparators 24 ein Signal entsprechend einer Überspannungsschwelle U_s1 von 14 V, während am invertierenden Eingang des Komparators 26 ein Eingangssignal entsprechend der Überspannungsschwelle U_s2 von 16 V anliegt. Beide nicht invertierenden Eingänge der Komparatoren 24 und 26 sind mit einer Referenzspannung U_ref beaufschlagt, deren Größe durch die aktuelle Batteriespannung U_bat bestimmt wird.

Bei einem Notlaufprogramm entsprechend der durchgezogenen Linie in Figur 1 wird die Komparatoranordnung 14 und mit ihr die Notlaufsteuerung nicht aktiv, solange die Batteriespannung einen Wert von 14 V entsprechend der Schwelle U_s1 nicht übersteigt. Bis zu diesem Zeitpunkt beträgt das Tastverhältnis TV 100% und die Batteriespannung wird in voller Höhe über die Motorendstufe 22 an den Elektromotor 10 angelegt. Mit Erreichen der Überspannungsschwelle U_s1 von 14 V wird das Tastverhältnis TV auf einen Wert von 50'% abgesenkt und die halbe Batteriespannung gelangt an den Motor, bis die Überspannungsschwelle U_s2 von 16 V erreicht ist und die Stromversorgung des Elektromotors 10 abgeschaltet wird. Entsprechendes gilt für die anderen in Figur 1 angedeuteten Verläufe einer im Notlaufbetrieb abgesenkten Batteriespannung. Bei der gestrichelten Linie wird sofort bei dem Auftreten einer Störung an den Störstellen 28 und/oder 30 die Versorgungsspannung durch eine Absenkung des Tastverhältnisses auf 50% halbiert und bleibt in dieser Höhe am Elektromotor 10 anliegend, bis die Überspannungsschwelle U_s2 von 16 V erreicht ist und der Motor abgeschaltet wird.

Entsprechend der strichpunktierten Linie in Figur 1 kann auch im Notlaufbetrieb eine geregelte Versorgung gewährleistet werden. Außerdem könnten zusätzliche Überspannungsschwellen definiert und Zwischenstufen bei der Absenkung der Versorgungsspannung realisiert werden. Dabei ist die Überwachungsfunktion in der Ansteuerschaltung 12 durch den Microcontroller 16 nicht auf den vollständigen Ausfall des PWM_soll-Signals oder der geschalteten Versorgungsspannung U₁₅ beschränkt, sondern es erfolgt im Microcontroller 16 insbesondere auch eine Überwachung der Größen PWM_soll und U₁₅ auf Plausibilität. Dabei können zum Beispiel für die Größen U₁₅ und PWM_soll Grenzwerte von 10% beziehungsweise 90% definiert werden, bei deren Unter- oder Überschreitung der Fehlerfall signalisiert wird.

Die Taktfrequenz der Pulsweitenmodulation einer derartigen Ansteuerschaltung 12 liegt üblicherweise im Bereich zwischen 100 Hz und 300 Hz und auch diese Taktfrequenz wird überwacht, wobei ebenfalls geringfügige Schwankungen nicht als Störfall ausgewiesen werden. Schließlich kann an die Stelle der Motronik 18 jede andere Regel- oder Steuereinheit für die Pulsweitenmodulation treten, insbesondere kann diese auch in den Microcontroller 16 integriert sein. Wesentlich ist, dass beim Ausfall der normalen Regelung oder Steuerung und beim gleichzeitigen Auftreten einer erhöhten Batteriespannung der Elektromotor 10 oder dessen Endstufe 22 nicht überlastet werden, sondern dass in diesem Fall die Notlaufsteuerung eingreift, welche den weiteren Betrieb des Elektromotors 10 in vorgegebenen Grenzen aufrechterhält.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht somit eine interne Spannungskompensation innerhalb der Motoransteuerung beim Ausfall der normalerweise vorgeschalteten Motorsteuerung, beispielsweise in Form der Motronik 18, welche bei einer Unterbrechung der Ansteuerleitung im Fall einer erhöhten Batteriespannung eine Überlastung nicht verhindern kann.